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一文看懂集成电路有多费钱

2020/02/24
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集成电路制造环节,属于重资产投入,中芯国际的一年利润,还不够买一台高端光刻机的,更勿论动辄千亿的产线投资;集成电路设计环节,看似是知识密集型的轻资产行业,只要流片几次不成功,看着哗哗的银子打水漂,老板估计就要关灯吃面喝稀粥了……一入 IC 深似海,烧完钱后成路人。

这两年,集成电路 / 半导体题材在资本市场很受追捧,二级市场股价屡创新高,产生了数家千亿市值的上市公司。一级市场,半导体产业链项目也都成了香饽饽,众星捧月一票难求。但是,无限风光背后,集成电路领域有多烧钱,你造么?

首先我们来简单描述一下集成电路设计的产业链。

对于晶圆制造公司,也就是我们常说的 Foundry/Fab,典型如台积电(TSMC)、中芯国际(SMIC),以及冲击科创板铩羽而归的和舰芯片,都属于 Foundry 厂。Foundry 的业务就是用光刻机等高精密设备,给芯片设计公司(Design House/Fabless)加工芯片的。

对于 Foundry 厂,烧钱是无疑的,而且烧起来体量巨大,一般的小公司是玩不转的。我们来看几个数据:

晶圆制造过程中,最核心的设备是光刻机,而全球高端光刻机基本上都垄断在荷兰 ASML 公司手里,就是特朗普动不动就威胁要禁运的那玩意儿,属于有钱都很难买到的。

一台光刻机的价格是多少呢?

早在 2018 年,中芯国际(SMIC)就曾向 ASML 公司订购了一台 7nm 制程 EVU 光刻机,如果不是特朗普从中捣乱,2019 年就可以部署到产线了。

7nmEVU 光刻机属于光刻机中的高端产品,这台光刻机价格几何呢?1.5 亿美金!折合 8 亿人民币!

根据中芯国际公布的 2018 年财报,全年归属于普通股东净利润为 1.34 亿美元,这说明啥?中芯国际辛辛苦苦赚一年的钱,不够买一台光刻机的!

从芯片制造产线来看,中国大陆已经投产和在建的 28 条的 12 英寸晶圆产线,总投资额超过 2 万亿元人民币,单条产线投资额不超过千亿,你都不好意思让地方政府发新闻稿。

具体到个体的 Foundry 厂,从专注 IDM 模式的华润微的招股说明书中看, 其子公司无锡华润上华,主要做晶圆制造的,未分配利润为 -25 亿元!也就是说,这么多年,华润上华创造的利润,都没有弥补历年产线建设投资的折旧,还有 25 亿元的缺口!

同理,科创板终止申请的和舰芯片,是一家典型的 Foudry,主要从事 12 英寸及 8 英寸晶圆研发制造业务,从公司财务数据来看,2018 年还巨亏 26 亿。但公司最近几年现金流是正的,说明也是前期产业投入的巨额折旧导致亏损。

我们再看集成电路设计公司,Fabless 模式,又称为 Design House。Fabless 嘛,也就是没有自己的车间(产线)。虽然对于集成电路设计公司,普遍被认为是知识密集型行业,是轻资产公司,但烧起钱来也是个无底洞。

设计公司虽然不需要巨额投资建设产线,但还是需要找 Foundry 代工制造芯片啊,羊毛出在羊身上,一次性剃光还是慢慢薅的区别。

由于芯片制造 Foundry 投入巨大,全球产能高度集中,前四大晶圆代工厂台积电、格罗方德、台联电和中芯国际占全球市场总量的 85%。其中,台积电独占全球晶圆代工市场 59%的份额。

因此,在高度集中的 Foudry 厂面前,集成电路设计公司只能做小伏低。

本来嘛,从产业链顺序看,设计公司出钱,Foudry 厂加工,似乎是典型的甲方乙方关系。但是从实际情况看,设计公司,特别是小规模、创业初期的设计公司,想要入这些大型 Foundry 的法眼,争取到一点儿产能,谈何容易!

记得 2012 年的时候,去看一个早期的设计项目,创始人很兴奋地拿出来一个装裱好的相框,跟我们用炫耀地口气说,我们已经进入了台积电的流片名录了……这简直就是颠倒了的甲乙方关系。

就算挤破脑袋拿到了产能,价格也不菲,看看这几个数据就能略知一二。

我们都知道,集成电路制造需要经过设计、画版、流片、封装、测试、量产等环节。设计公司在完成芯片设计后,需要将几何数据标准(GDSII)格式文件给 Foundry 厂做 Tapeout。

注:因为最早 GDSII 文件是用磁带 tape 交给 Foundry 厂的,因此 Foundry 厂读取磁带的数据叫 Tapeout。然后根据设计文件的各种参数,进行集成电路芯片的加工制造,这就是俗称的“流片”。

流片环节,要耗费大量的金钱,著名的“挖矿”企业比特大陆,凭借着其自研的挖矿芯片,抢得先机,一跃成为矿机领域的一代枭雄。既然是自研芯片,那就绕不开去 Foudry 厂流片这道坎。

根据比特大陆的招股说明书,2017 年的加工费及原材料(芯片制造及封测费用)花费 9.73 亿美元(约 66 亿元人民币),2018 年上半年则高达 14.76 亿美元(约 100 亿人民币)。

而且根据非官方消息,2017 年开始,比特大陆至少有 4 次流片失败,包括 16nm、12nm 和 10nm 的芯片,其中 16nm 流片失败了两次,这令比特大陆损失至少 60 亿到 80 亿人民币。

涉及到具体每片晶圆(Wafer)的价格,根据 IC Insights 数据,2018 年每片晶圆代工费用约为 1138 美元。台积电每片晶圆费用为 1382 美元,格芯每片晶圆费用为 1014 美元,中芯国际平均每片晶圆费用为 720 美元左右。

注:当然这只是平均价格,不同工艺、不同尺寸的晶圆加工价格是不一样的,据估算,知名大厂的一片 7nm 工艺 12 寸晶圆的价格高达 8000 美元。

这只是量产流片的价格,而集成电路设计公司,并非在电脑上设计好了芯片的版图,就可以直接去 Foundry 厂量产,万一功能、性能、功耗等参数满足不了期望的设计目标,那岂不是打水漂了?

因此就出现了一个流片验证环节(Post-Silicon),先小批量只做几只工程芯片样片,并对这些样片进行验证,就可以避免大批量生产出现损失。

就算是小批量工程样片,一般的设计公司也很难承受其成本,因为数量少,但 Foundry 厂的投入可一样都不能少,包括掩膜版的制作,不会因为芯片数量少了,就降低成本。因此,在工程样片阶段,一张 Wafer 堪称天价。

因此就出现了一种新的模式,MPW(Multi Project Wafer,多项目晶圆),顾名思义,就是“拼版”,多家设计公司、多品类的产品在同一晶圆片上流片,这样的话,费用就可以由多家设计公司分摊。

IC 领域的“共享经济”嘛。

那么,就算分摊成本,MPW 模式下的费用有多高呢?

还是那句话,不同的工艺,不同的芯片复杂度,价格也是不一样的,一般来说都是需要和 Foundry 厂 case by case 去谈,属于商业上的机密,一般不与外人道也。

但从一般公开的案例来看,2018 年摩尔快车发起的一次 MPW 拼团活动,里面有公告的价格,大家可以感受一下:

Foundry 厂:三重富士通

工艺 :40nm LP

面积:3.96mm*3.96mm

参与公司数达到 20 家,每家 2.6 万美金;

参与公司数达到 25 家,每家 2.1 万美金;

参与公司数达到 30 家,每家 1.7 万美金;

参与公司数达到 35 家,每家 1.5 万美金。

体会一下 3.96mm*3.96mm 的面积有多大,掂一掂 2.6 万美金有重……

以上数据仅供参考,不同的制程、不同的工艺、不同的 Wafer 尺寸,不同的 Layer 层数……都会导致不管是量产流片还是 MPW 的价格,都相差迥异。

总而言之,这是一个烧钱的无底洞。

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公众号科创之道主笔,标准的EE、CS专业理工男。从事研发、咨询、投资工作15年,主要关注领域为半导体、人工智能、物联网、云计算等,目前专注于风险投资和企业服务领域,平时喜欢把一些工作上的感悟随手记下来,希望通过自己的文字,融合IT产业和投融资行业知识,为跨行业沟通搭建一座桥梁。